mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2025.2.280-290mgssuvest-523Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringКомплексная модификация пенобетона неавтоклавного тверденияComplex modification of non-autoclaved foam concretehttps://orcid.org/0000-0002-7292-1154НецветД. Д.NetsvetD. D.

Дарья Дмитриевна Нецвет — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры строительства и эксплуатации горнометаллургических комплексов

309516, Белгородская обл. г. Старый Оскол, мкр. Макаренко, д. 42

РИНЦ AuthorID: 685087, Scopus: 55992118000, ResearcherID: L-3354-2016

Daria D. Netsvet — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Construction and Operation of Mining and Metallurgical Complexes

42 microdistrict Makarenko, Belgorod region, Stary Oskol, 309516

RSCI AuthorID: 685087, Scopus: 55992118000, ResearcherID: L-3354-2016

netsvet_dd@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4957-9207СивальневаМ. Н.SivalnevaM. N.

Мариана Николаевна Сивальнева — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры материаловедения и технологии материалов

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

РИНЦ AuthorID: 685028, Scopus: 57193898450, ResearcherID: K-2030-2016

Mariana N. Sivalneva — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Materials Science and Technology

46 Kostukova st., Belgorod, 308012

RSCI AuthorID: 685028, Scopus: 57193898450, ResearcherID: K-2030-2016

549041@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5736-5962НелюбоваВ. В.NelyubovaV.  V.

Виктория Викторовна Нелюбова — доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник НИЛ «Самоочищающиеся покрытия» Инновационного научно-образовательного и опытно-промышленного центра наноструктурированных композиционных материалов (ИНО и ОПЦ НКМ)

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

РИНЦ AuthorID: 605989, Scopus: 56237522700, ResearcherID: V-2514-2018

Viktoria V. Nelyubova — Doctor of Technical Sciences, Professor, leading researcher at the Research Laboratory “Self-cleaning coatings” of the Innovative Scientific-Educational and Experimental-Industrial Center of Nanostructured Composite Materials (ISE EIC NCM)

46 Kostukova st., Belgorod, 308012

RSCI AuthorID: 605989, Scopus: 56237522700, ResearcherID: V-2514-2018

nelubova@list.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6895-4511СтроковаВ. В.StrokovaV. V.

Валерия Валерьевна Строкова — доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой материало-ведения и технологии материалов

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

РИНЦ AuthorID: 111246, Scopus: 6602722133, ResearcherID: B-5343-2013

Valeria V. Strokova — Doctor of Technical Sciences, Professor, head of the Department of Materials Science and Technology of Materials

46 Kostukova st., Belgorod, 308012

RSCI AuthorID: 111246, Scopus: 6602722133, ResearcherID: B-5343-2013

vvstrokova@gmail.comСтарооскольский технологический институт им. А.А. Угарова (филиал) Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» (СТИ НИТУ МИСИС)РоссияStary Oskol Technological Institute named after A.A. Ugarov (branch) of the National University of Science and Technology “MISIS” (STI NUST MISIS)Russian FederationБелгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова)РоссияBelgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU named after V.G. Shukhov)Russian FederationБелгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова)РоссияBelgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU named after V.G. Shukhov)Russian FederationБелгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова)РоссияBelgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU named after V.G. Shukhov)Russian Federation202528022025202280290Copyright © Нецвет Д.Д., Сивальнева М.Н., Нелюбова В.В., Строкова В.В., 20252025Нецвет Д.Д., Сивальнева М.Н., Нелюбова В.В., Строкова В.В.Netsvet D.D., Sivalneva M.N., Nelyubova V.V., Strokova V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/523Введение

Введение. Одним из распространенных строительных материалов является ячеистый бетон. Повышение его эффективности может быть обеспечено проведением комплексной модификации. Предложено рецептурно-технологическое решение по получению неавтоклавного пенобетона, которое заключается в применении комплекса модифицирующих добавок, включающих минеральные дисперсные и микроармирующие компоненты. Их введение способствует стабилизации пенобетонной смеси, регулированию процессов структурообразования и управления эксплуатационными показателями готового материала.

Материалы и методы

Материалы и методы. Использовались портландцемент марки ЦЕМ I 42,5Н, протеиновый пенообразователь «Эталон». Модифицирование пенобетона осуществлялось: кварцевой суспензией, получаемой путем мокрого помола кварцевого песка, синтезированным ангидритом, активатором твердения Na2SO4, базальтовой и стеклянной фибрами. Основные физико-механические характеристики пенобетона определялись по действующим нормативно-техническим документам. Микроструктура изучалась посредством растровой электронной микроскопии.

Результаты

Результаты. Установлено влияние рецептурных факторов на эксплуатационные показатели качества неавтоклавного пенобетона теплоизоляционного назначения, проведена многокритериальная оптимизация, определены рациональные составы. Получены материалы с маркой по плотности D500 и классом по прочности B1,5–В2.

Выводы

Выводы. Замена части портландцементного вяжущего на дисперсный модификатор в комплексе с микроармирующими волокнами позволяет получать материалы с повышенными свойствами при сниженных затратах на производство, а именно за счет оптимизации ячеистой структуры повышаются показатели по прочности при сохранении значений плотности и теплопроводности. Данное рецептурное решение приводит к уплотнению и упрочнению межпоровых перегородок, как следствие, «монолитизации» матрицы и каркасной структуры композита, создаваемой микроармирующими компонентами. Материал характеризуется полидисперсной пористостью с широким диапазоном размеров пор с формой, переходящей с правильной округлой на многогранную. В результате повышаются физико-механические и теплоизолирующие показатели пенобетона неавтоклавного твердения.

Introduction

Introduction. Cellular concrete is one of the most common building materials. Increase of its efficiency can be ensured by carrying out a complex modification. The paper proposes a formulation and technological solution for the production of non-autoclaved foam concrete, which consists in the use of a complex of modifying additives, including mineral dispersed and micro-reinforcing components. Their introduction contributes to stabilization of the foam concrete mixture, regulation of the processes of structure formation and control the performance of the finished material.

Materials and methods

Materials and methods. Portland cement of CEM I 42.5N grade, protein foaming agent “Etalon” were used. Modification of foam concrete was carried out by: quartz suspension obtained by wet milling of quartz sand, synthesized anhydrite, hardening activator Na2SO4, basalt and glass fibres. The main physical and mechanical characteristics of foam concrete were determined according to the current regulatory and technical documents. The microstructure was studied using scanning electron microscopy.

Results

Results. The influence of formulation factors on the operational quality indicators of non-autoclaved foam concrete for thermal insulation purposes was established, multicriteria optimization was carried out, rational compositions were determined. Materials with a density grade of D500 and a strength class of B1.5–B2 were obtained.

Conclusions

Conclusions. The replacement of a part of the Portland cement binder with a dispersed modifier in combination with micro-reinforcing fibres makes it possible to obtain materials with improved properties at reduced production costs, namely, by optimizing the cellular structure, strength indicators increase while maintaining density and thermal conductivity values. This formulation solution leads to the compaction and strengthening of the interpore partitions, as a result, the “monolithization” of the matrix and the frame structure of the composite created by micro-reinforcing components. The material is characterized by polydisperse porosity with a wide range of pore sizes with a shape transitioning from regular rounded to polyhedral. As a result, the physico-mechanical and thermal insulation properties of non-autoclaved foam concrete are increased.

пенобетонмодификациядисперсные компонентыбазальтовая фибрастеклянная фибрамикроструктуранеавтоклавное твердениеfoam concretemodificationdispersed componentsbasalt fibreglass fibremicrostructurenon-autoclave hardeningРабота выполнена в рамках реализации государственного задания Минобрнауки РФ № FZWN-2023-0006 с использованием оборудования Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.The work was realized within the framework of the implementation of the state task of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation No. FZWN-2023-0006 using equipment of High Technology Centre at BSTU named after V.G. Shukhov.ReferencesElrahman M.A., El Madawy M.E., Chung S.-Y., Sikora P., Stephan D. Preparation and characterization of ultra-lightweight foamed concrete incorporating lightweight aggregates // Applied Sciences. 2019. Vol. 9. Issue 7. P. 1447. DOI: 10.3390/app9071447Elrahman M.A., El Madawy M.E., Chung S.-Y., Sikora P., Stephan D. Preparation and characterization of ultra-lightweight foamed concrete incorporating lightweight aggregates. Applied Sciences. 2019; 9(7):1447. DOI: 10.3390/app9071447Zeng X., Lan X., Zhu H., Liu H., Umar H.A., Xie Y. et al. A review on bubble stability in fresh concrete: Mechanisms and main factors // Materials. 2020. Vol. 13. Issue 8. P. 1820. DOI: 10.3390/MA13081820Zeng X., Lan X., Zhu H., Liu H., Umar H.A., Xie Y. et al. A review on bubble stability in fresh concrete: Mechanisms and main factors. Materials. 2020; 13(8):1820. DOI: 10.3390/MA13081820Zhou G., Su R.K.L. A review on durability of foam concrete // Buildings. 2023. Vol. 13. Issue 7. P. 1880. DOI: 10.3390/buildings13071880Zhou G., Su R.K.L. A Review on Durability of Foam Concrete. Buildings. 2023; 13(7):1880. DOI: 10.3390/buildings13071880Amran Y.H.M., Farzadnia N., Ali A.A.A. Properties and applications of foamed concrete : а review // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 101. Pp. 990–1005. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.10.112Amran Y.H.M., Farzadnia N., Ali A.A.A. Properties and applications of foamed concrete : а review. Construction and Building Materials. 2015; 101:990-1005. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.10.112Моргун Л.В., Немилостивый А.Г., Гебру Б.К., Моргун В.Н. Эволюция применения в строительстве легких бетонов // Химия, физика и механика материалов. 2022. № 4 (35). С. 21–36. EDN KTFRDJ.Morgun L.V., Nemilostivy A.G., Gebru B.K., Morgun V.N. Evolution of application in construction light concrete. Chemistry, Physics and Mechanics of Materials. 2022; 4(35):21-36. EDN KTFRDJ. (rus.).Alfimova N.I., Pirieva S.Yu., Gudov D.V., Shu-rakov I.M., Korbut Е.Е. Optimization of receptural-technological parameters of manufacture of cellular concrete mixture // Construction Materials and Products. 2020. Pp. 30–36. DOI: 10.34031/2618-7183-2018-1-2-30-36Alfimova N.I., Pirieva S.Yu., Gudov D.V., Shurakov I.M., Korbut Е.Е. Optimization of receptural-technological parameters of manufacture of cellular concrete mixture. Construction Materials and Products. 2020; 30-36. DOI: 10.34031/2618-7183-2018-1-2-30-36Drozdov A., Osipenkova I., Stupakova O. Dependence of foam concrete properties on technological factors // E3S Web of Conferences. 2020. Vol. 164. P. 14010. DOI: 10.1051/e3sconf/202016414010Drozdov A., Osipenkova I., Stupakova O. Dependence of foam concrete properties on technological factors. E3S Web of Conferences. 2020; 164:14010. DOI: 10.1051/e3sconf/202016414010Воронов В.В., Глаголев Е.С. Особенности гидратации и твердения полиминеральных композиционных вяжущих для пенобетонов // Вестник Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета. 2020. Т. 17. № 1 (71). С. 122–135. DOI: 10.26518/2071-7296-2020-17-1-122-135. EDN ZLGTGN.Voronov V.V., Glagolev E.S. Polymineral composite binders for foam concrete: features of hydration and hardening. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2020; 17(1):122-135. DOI: 10.26518/2071-7296-2020-17-1-122-135. EDN ZLGTGN. (rus.).Тотурбиев Б.Д., Мамаев С.А., Тотурбиева У.Д. Теплоизоляционный пенобетон безавтоклавного твердения из местного нерудного минерального сырья // Геология и геофизика Юга России. 2023. Т. 13. № 3. С. 167–177. DOI: 10.46698/VNC.2023.89.94.013. EDN SSPLSC.Toturbiev B.D., Mamaev S.A., Toturbiev U.D. Heat-insulating foam concrete without autoclave hardening from local non-metal mineral raw. Geology and Geophysics of the South of Russia. 2023; 13(3):167-177. DOI: 10.46698/VNC.2023.89.94.013. EDN SSPLSC. (rus.).Череватова А.В., Жерновская И.В., Алехин Д.А., Кожухова М.И., Кожухова Н.И., Яковлев Е.А. Теоретические аспекты создания композиционного наноструктурированного гипсового вяжущего повышенной жаростойкости // Строительные материалы и изделия. 2019. Т. 2. № 4. С. 5–13. EDN OJFHQO.Cherevatova A.V., Zhernovskaya I.V., Alehin D.A., Kozhukhova M.I., Kozhukhova N.I., Yakovlev E.A. Theoretical aspects of development of composite nanostructured gypsum binder characterized by increased heat resistance. Construction Materials and Products. 2019; 2(4):5-13. EDN OJFHQO. (rus.).Кожухова Н.И. Опыт производства ячеистых бетонов на основе геополимерных вяжущих // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2023. № 4. С. 8–23. DOI: 10.34031/2071-7318-2023-8-4-8-23. EDN QDVWLI.Kozhuhova N. Background of geopolymer-based cellular concrete production. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2023; 4:8-23. DOI: 10.34031/2071-7318-2023-8-4-8-23. EDN QDVWLI. (rus.).Хеирбеков Р.А., Самченко С.В. Некоторые физико-химические аспекты формирования структуры композиционного шлакосиликатного поризованного арболитового материала // Техника и технология силикатов. 2022. Т. 29. № 4. С. 379–390. EDN JKBDQD.Kheirbekov R.А., Samchenko S.V. Some physicochemical aspects of the formation of the structure of composite slag-silicate porous wood chip concrete material. Technique and Technology of Silicates. 2022; 29(4):379-390. EDN JKBDQD. (rus.).Величко Е.Г., Дворников Р.М. Высокоэффективный поризованный арболит на основе шлако-силикатных вяжущих веществ // Техника и технология силикатов. 2021. Т. 28. № 4. С. 179–189. EDN RZZIVJ.Velichko E.G., Dvornikov R.M. Highly efficient porozed arbolith based on slag silicate bindings. Technique and Technology of Silicates. 2021; 28(4):179-189. EDN RZZIVJ. (rus.).Лукаш Е.В., Кузьменков М.И. Неавтоклавный пенобетон на основе магнезиального цемента // Строительные материалы. 2012. № 11. С. 33–35. EDN PJNDYF.Lukash E.V., Kuzmenkov M.I. Non-autoclave foam concrete based on magnesium cement. Construction Materials. 2012; 11:33-35. EDN PJNDYF. (rus.).Strokova V., Sivalneva M., Kobzev V. The effect of polyvinyl alcohol on the system of cement-free binding alumino-silicate composition // Solid State Phenomena. 2020. Vol. 299. Pp. 169–174. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.299.169Strokova V., Sivalneva M., Kobzev V. The effect of polyvinyl alcohol on the system of cement-free binding alumino-silicate composition. Solid State Phenomena. 2020; 299:169-174. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.299.169Gencel O., Bilir T., Bademler Z., Ozbakkaloglu T. A Detailed Review on Foam Concrete Composites: Ingredients, Properties, and Microstructure // Applied Sciences. 2022. Vol. 12. Issue 11. P. 5752. DOI: 10.3390/app12115752Gencel O., Bilir T., Bademler Z., Ozbakkaloglu T. A Detailed Review on Foam Concrete Composites: Ingredients, Properties, and Microstructure. Applied Sciences. 2022; 12(11):5752. DOI: 10.3390/app12115752Dvornikov R.M., Velichko E.G. Wood concrete modified with ground granulated blast furnace slag // Const-ruction of Unique Buildings and Structures. 2020. Nо. 6 (91). P. 9107. DOI: 10.18720/CUBS.91.7. EDN JUIUZM.Dvornikov R.M., Velichko E.G. Wood concrete modified with ground granulated blast furnace slag. Construction of Unique Buildings and Structures. 2020; 6(91):9107. DOI: 10.18720/CUBS.91.7. EDN JUIUZM.Priyatham B.P.R.V.S., Lakshmayya M.T.S., Chaitanya D.V.S.R.K. Review on performance and sustainability of foam concrete // Materials Today : Proceedings. 2023. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.04.080Priyatham B.P.R.V.S., Lakshmayya M.T.S., Chaitanya D.V.S.R.K. Review on performance and sustainability of foam concrete. Materials Today : Proceedings. 2023. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.04.080Hou L., Li J., Lu Z., Niu Y. Influence of foaming agent on cement and foam concrete // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 280. P. 122399. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.122399Hou L., Li J., Lu Z., Niu Y. Influence of foaming agent on cement and foam concrete. Construction and Building Materials. 2021; 280:122399. DOI: 10.1016/j.con-buildmat.2021.122399Falliano D., Domenico D., Ricciardi G., Gugliandolo E. Experimental investigation on the compressive strength of foamed concrete: Effect of curing conditions, cement type, foaming agent and dry density // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 165. Pp. 735–749. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.241Falliano D., Domenico D., Ricciardi G., Gugliandolo E. Experimental investigation on the compressive strength of foamed concrete: Effect of curing conditions, cement type, foaming agent and dry density. Construction and Building Materials. 2018; 165:735-749. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.241Дворников Р.М., Самченко С.В. Формирование ячеистой структуры поризованного арболита // Техника и технология силикатов. 2022. Т. 29. № 1. С. 82–91. EDN KWNIQT.Dvornikov R.M., Samchenko S.V. Formation of the cellular structure of porous wood concrete. Technique and Technology of Silicates. 2022; 29(1):82-91. EDN KWNIQT. (rus.).Нецвет Д.Д., Нелюбова В.В., Строкова В.В. Композиционное вяжущее с минеральными добавками для неавтоклавных пенобетонов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2019. № 4. С. 122–131. DOI: 10.34031/article_5cb1e65d077f65.54773394. EDN ZDDGHJ.Necvet D., Nelyubova V., Strokova V. Composite binder with mineral additives for non-autoclave foam concrete. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2019; 4:122-131. DOI: 10.34031/article_5cb1e65d077f65.54773394. EDN ZDDGHJ. (rus.).Morgun V.N., Morgun L.V., Nagorskiy V.V. Diversive particles filler forms influence on mechanical properties foam concrete mixutes // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 698. Issue 2. P. 022088. DOI: 10.1088/1757-899X/698/2/022088Morgun V.N., Morgun L.V., Nagorskiy V.V. Diversive particles filler forms influence on mechanical properties foam concrete mixutes. IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2019; 698(2):022088. DOI: 10.1088/1757-899X/698/2/022088Batool F., Rafi M.M., Bindiganavile V. Microstructure and thermal conductivity of cement-based foam : а review // Journal of Building Engineering. 2018. Vol. 20. Pp. 696–704. DOI: 10.1016/j.jobe.2018.09.008Batool F., Rafi M.M., Bindiganavile V. Microstructure and thermal conductivity of cement-based foam : а review. Journal of Building Engineering. 2018; 20:696-704. DOI: 10.1016/j.jobe.2018.09.008

The authors declare that there are no conflicts of interest present.